化工企业低压变电所无功补偿优化计算及设计

楼奕轩

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230000）

化工企业一般主要用电负荷为电动机等感性负载，功率因数较低，需采取无功补偿措施，使无功就地达到平衡，从而降低变压器及线路等电网元件的电压降及功率损耗。随着电力电子技术的发展，变频器、中频炉等非线性设备的大量运用，谐波问题的出现使传统的纯电容无功补偿不再适用，出现鼓包损坏等故障，影响电网运行安全[1]。采用电抗-电容器组无功补偿是解决谐波问题的经济而有效措施。

补偿电路中串入电抗器，使得补偿参数计算与纯电容补偿有着较大区别。一方面，电抗器反向抬高了电容器的端电压，从而改变了电容器的补偿量。另一方面，电抗器的感抗也抵消部分电容器的容抗，使实际补偿量减小，需进行修正[2]。

无功补偿设计一般根据负荷特性，按最大负荷或平均负荷计算补偿容量[3]。在工程实践中，由于企业考虑未来发展而预留了一定的变压器容量及用电负荷参数的不确定性，使得按负荷计算的补偿容量随着负荷的变化，出现一定的偏差。基于变压器容量的优化补偿就显得尤为实用有效。

1 串联电抗器选型

1.1 串联电抗器型式选择

低压串联电抗器选型需考虑：一是对电气二次弱电设备的影响要小，即要求电抗器本体周围的漏磁要弱；二是从防火角度考虑，要求无油化；三是体积小，便于安装。因此，低压串联电抗器一般选干式铁芯电抗器。

1.2 串联电抗器电抗率选择

电抗率选择时应考虑电网的背景谐波，为了抑制谐波放大，电抗器配置原则：使电容器组接入出的综合谐波阻抗呈感性[4]。电抗-电容器组的等效阻抗，在谐振点前呈容性，在谐振点后呈感性。谐振频率f0的计算：

式中，k为电抗率，即串联电抗器的感抗XL与电容器的容抗XC之比。

市场上目前常用低压电抗-电容器组的电抗率一般为7%及14%。

电抗率选7%时，由（1）式可得，谐振频率f0=189 Hz。对于5次谐波（f5=250 Hz）及更高次谐波呈感性，具有抑制作用。对于基波（f1=50 Hz）及3 次谐波（f3=150 Hz）呈容性，具有补充作用。故当系统谐波主要为5 次及以上时，选择电抗率选7%的产品。

电抗率选14%时，谐振频率f0=134 Hz。对于3次谐波（f3=150 Hz）及更高次谐波呈感性，具有抑制作用。对于基波呈容性，具有补偿作用。故当系统谐波主要为3 次及以上时，选择电抗率选14%的产品。

2 补偿电容计算

2.1 电容器额定电压计算及选择

1)电容器端电压。考虑串联电抗器的影响，电容器端电压UC的计算：

式中，US为电抗-电容器组接入点母线端电压；k为电抗率；

2)电容器额定电压。在实际运行时，低压系统供电电压偏差为标称电压的±7%[5]、谐波电压的影响、接入及轻载引起电网电压升高等因素，电容器额定电压Un按满足式（3），并结合电容器系列电压选择额定电压：

2.2 串联电抗对电容补偿容量影响的修正

考虑电容器的实际补偿容量与电容器实际端电压的平方成正比，以及串联电抗器自身的感抗抵消部分电容的补偿量。为达到目标补偿功率因数，电抗-电容器组的实际补偿容量Qn按式（4）修正：

式中，Qb为电抗-电容器组的实际补偿容量。令修正系数A=(Un/UC)2(1-k)，则电容器组的额定容量与实际补偿容量的修正公式为：

电容器组的额定容量计算完成后，根据电容器系列容量及分组，选取相应的电容器。

通过以上计算及分析，得出选型计算参数见表1。

表1 串联电抗-电容器组选型计算参数Tab 1 Parameters of reactance-electrical capacitance groups

2.3 电容器容量计算及选择

2.3.1 按最大负荷计算补偿容量

一般企业最大负荷每年出现的时间较短，故该方法计算结果偏大，会导致大部分时间内部分电容闲置。按最大负荷补偿容量Q的计算：

式中，Pc为最大负荷有功功率，tan φ1和tan φ2分别为补偿前和补偿后最大负荷功率因数角正切。

按最大负荷计算的负荷一般是偏高的，因此对功率因数的要求不能层层加码，目标功率因数按补偿到0.9考虑，即tan φ2取0.484；

2.3.2 按平均负荷计算补偿容量

按平均负荷补偿容量的计算：

式中，αav为年平均有功负荷系数。

年平均有功负荷系数αav根据企业负荷特征确定。化工企业取0.83 左右，石油企业取0.8 左右，轻工纺织企业取0.51～0.68。该方法目标功率因数按补偿到0.95考虑，即tan φ2取0.329。

2.3.3 按变压器容量计算补偿容量

按变压器容量计算补偿容量是基于变压器长期运行负荷的一种估算法。为保证目标补偿功率因数，在确定补偿容量要综合考虑变压器容量、负荷率、负荷特征等因素。使补偿容量准确且经济。

变压器的长期负荷率与负载大小及用电负荷等级有关。当主要用电负荷为一、二级负荷的变压器，为保证重要负荷的供电的可靠性，分列运行的配变其长期负荷率一般低于50%。对于主要用电负荷为三级负荷的变压器，其长期经济运行的负荷率一般在65%～85%。按变压器容量计算需要补偿容量：

式中，β为变压器负荷率，S 为变压器容量，cos φ1和cos φ2分别为补偿前和补偿后的功率因数。

令计算系数q=(1-cos φ12)1/2-(1-cos φ22)1/2，则Q=βSq。

计算系数见表2。

表2 计算系数qTab 2 The calculating coefficient of q

需要补偿容量计算完成后，按式(4)修正，结合电容器系列选择电容器额定容量。

2.3.4 基于变压器容量的补偿电容快速选型

化工企业低压变电所的自然功率与其用电负荷特征相关。不同行业的用电负荷有一定差别。通过对化工企业的实际运行工况调查，低压变电所的自然功率因数一般在0.75～0.82。考虑到通用性，这里取cos φ1=0.75，cos φ2=0.95。按变压器负荷率85%为基础，结合电容系列，计算出的补偿电容选型数据，得到基于变压器容量的补偿电容快速选型表，见表3。其他特征的可根据实际情况修正。

表3 基于变压器容量的补偿电容快速选型Tab 3 Fast design for compensating capacitor that based on transformer capacity

3 结 论

无功补偿能有效提高变压器出力，降低变压器及线路损耗，优化设计的参数可以抑制电网谐波影响，提升电能质量；同时改善电容器工况，降低故障率，提升电网的安全性。

基于变压器容量的补偿电容快速选型，为工程实践提供快速便捷的选型方法。